反应工程课件第五章(1)

解决办法 采用绝热反应器。 A、气体在催化剂活性温度以上进入反应器，其后进行绝 热反应，利用放热使气体（床层）升温。 B、边反应边升温，逐步接近最佳温度曲线。
400℃<<700 ℃
40℃
换热器1
换热器2
转化器
绝热反应的使用——单段绝热催化反应器；多段绝 热催化反应器；连续换热式催化反应器的进口段。
平衡温度线
最佳温度线
TOP
Te 1 E
RgTe 2 E 1
ln
E2 E 1
T
Ⅰ
Ⅱ
C、非原料气冷激式
Ⅲ Ⅳ
x
平衡温度线
最佳温度线
T
特点：
Te
a、由于非原料气加入，使 得Yi0逐段降低，导致Te 上升，则x-Te，x-Tm 曲线逐段抬高，各段不 相同。 b、冷却过程无反应，各段 冷却线相互平行，且平 x 行于T轴。 c、由于非原料气加入，使 得Yi0逐段降低，导致绝 热操作线斜率逐段增大， 各段的操作线相互不平 行。
x
最佳温 度线
平衡温 度线
x
最佳温 度线
平衡温 度线
T
T
外冷列管式
按换热 情况分
按冷管 结构分
三套管并流式 双套管并流式
分 类
内冷自热式 单管逆流式 单管并流式
外部供热管式
① 管径：一般为25～50mm的管子，但不小于25mm。 ② 催化剂粒径：应小于管径的8分之一，通常固定床 用的粒径约为2～6mm，不小于1.5mm。 ③ 传热所用的热载体： 沸水可以用于100℃～300℃的温度范围。 联苯与联苯醚的混合物以及以烷基萘为主的石油馏分 能用于200～350℃的范围。 无机熔盐(硝酸钾，硝酸钠及亚硝酸钠的混合物)可用 于300～400℃的情况。 对于600～700℃左右的高温反应，只能用烟道气作为 热载体。
平衡温度 线
最佳温度 线
T
B、原料气冷激式
Ⅰ Ⅱ
x
平衡温度线
Ⅲ
最佳温度线
Ⅳ
T
Te
来自百度文库
特点：
49055 . x 100 0.5ax lg 0.5 lg 0.5 lg p 4.6455 1 x b 0.5ax
a、由于Yi0，P不变，则x-Te， x-Tm曲线不变，各段共用。 x b、冷却过程虽然无反应，但 反应后的气体与冷原料气混 合，温度降低的同时，转化 率也降低，故各段冷却线相 互不平行，也不平行于T轴。 c、虽然反应过程中转化率变 化，但原料气的初始组成不 变，各段的操作线斜率相同， 相互平行。
B、单段适用的场合
a、转化率变化不大的反应过程
b、转化率变化较大，但相应绝热温升较小， 绝热操作线斜率较大，只要一段床层就可达到 反应的目的过程。 x 平衡温度线
1 x (T T0 ) x0
最佳温度线
T
(4）多段绝热式催化反应器 绝热反应——换热——绝热反应——换热 间接换热式 外部间接换热式 内部间接换热式 原料气冷激式 非原料气冷激式
r(x, T)
x
平衡温度线
最佳温度线
T
最佳温度曲线的作法： a、通过实验测定 b、化学动力学控制时 ，用公式计算
0 0.60 . 0
0.80
TOP
Te 1
RgTe E2 E1
ln E2
E 1
最佳温度曲线特性：
a、x A Tm b、x A rA,T m c、当T Tm时 rA rA , max VR VR , min
5）在多段固定床绝热式气一固相催化反应器中,进行单一可 逆放热反应、对间接换热式操作状况叙述不正确的是( )。 （A）操作线相互不平行； （B）冷却线水平； （C）最佳温度曲线连续； （D）平衡曲线连续； 6）在多段固定床绝热式气一固相催化反应器中,进行单一可 逆放热反应、对非原料气冷激式操作状况叙述不正确的是 （ ）。 （A）操作线相互不平行； （B）冷却线水平； （C）最佳温度曲线不连续；（D）平衡曲线连续； 7）气一固相催化反应器主要分为( )和( )两大类。 8)固定床催化反应器按换热方式分为( )和( )两 类，按气体在催化床中流动方向分为( )和( )两 类。 9）多段换热式分为( )和( )两类。
4905 5 . lg k p 4.6455 Te
Te
49055 . x 100 0.5ax lg 0.5 lg 0.5 lg p 4.6455 1 x b 0.5ax
B、最佳温度曲线：X-Tm线 定义：将在不同转化率XA下使反 应速率rA达到最大时温度连成 曲线，即是最佳温度曲线。
反应器进口：转化率低， 要求的操作温度高。
反应器出口：转化率高， 要求的操作温度低。
实际反应过程分析 A、实际反应器进口物料转化率低，反应的最佳温度高。 B、实际反应器进口物料温度一般较低，略大于或等于环境温 度。 C、将实际反应器物料较低的进口温度，加热到较高的最佳温 度，需要大量换热面积和热能。 D、对耐热温度较低的催化剂，有可能出现进口处的最佳温度 大于耐热温度。
列管式反应器优点：
① 传热较好，管内温度较易控制； ② 返混小、选择性较高； ③ 只要增加管数，便可有把握地进行放大； ④ 对于极强的放热反应，还可用同样粒度的惰性物 料来稀释催化剂
适用原料成本高，副产物价值低以及分离不是 十分容易的情况。
（2)三套管并流式
床 层 深 度
转 化 率
温度
温度
A、结构：冷管，中心管，冷气分气盒，集气盒。 B、气体流程：冷气 内环隙 集气盒 分气盒 中心管 冷管内 床层。
4905.5 x 100 0.5ax lg 0.5 lg 0.5 lg p 4.6455 1 x b 0.5ax
Te 1
RgTe E2 E 1
TOP
ln
E2 E 1
平衡温度线
最佳温度线
T
思考题：
1）五段绝热式固定床催化反应器中，段间为 间接换热，请画出操作状况简图（X-T图）。 2）五段绝热式固定床催化反应器中，段间为 原料气冷激式，请画出操作状况简图（X-T 图）。 3）五段绝热式固定床催化反应器中，段间为 非原料气冷激式，请画出操作状况简图（X-T 图）。 4）四段绝热式固定床催化反应器中，1-2段间 为原料气冷激式、其余段为间接换热式，请画 出操作状况简图（X-T图）。
分 类
冷激式
间接换热式+冷激式
A、间接换热式 a、内部间接换热式 b、外部间接换热式
Ⅰ
Ⅱ
x
Ⅲ
平衡温度线
最佳温度线
Ⅳ T
特点： a、由于Yi0，P不变，则xTe，x-Tm曲线不变，各 段共用。 x b、冷却过程无反应，但 温度变化，故各段冷却 线相互平行，且平行于 T轴。 c、虽然反应过程中转化 率变化，但原料气的初 始组成不变，各段的操 作线斜率相同，相互平 行。
AI ：
基础模型
AII： AI +轴向返混 AIII： AI ＋径向分布
二维模型
BI+轴向返混
BIII ： BI＋径向分布
AIV： AIII ＋轴向返混 BIV ： BIII＋轴向返混
5.1 固定床气－固相催化反应器的基本类型和数学模型 5.1.1 气－固相催化反应器的基本类型 气－固相催化反应器
颗粒状 态
换热 方式
固定床反应器
流化床反应器
绝热式 多段绝热 单段绝热 内冷式
换热式 外冷(热)
5.1.1.1 固定床反应器 定义：凡是流体通过不动的固体 物料所形成的床层，进行反应的 装置都称作固定床反应器。 用途 气-固相催化反应：氨合成、 天然气转化，石油化工中的乙烯 氧化制环氧乙烷、乙苯脱氢制苯 乙烯等等。
流体
流体
流体
流体
流体 流体
ΔP 500 固定床 300 200 100 50 1 2 umf 10 空床流速 u0 ㎝/s 50 100 斜率=1 夹带开始 Δ P=W/At 流化床
流化床反应器
思考题
1）连续换热式催化反应器可分为( ),( ),( )等三种。 2）内冷自热式催化床，根据冷管的结构不同，主要可分为 ( ),( ),( )、（ ）等四种，其中没有绝 热段的是（ ）。
(3）单段绝热式催化反应器 x
原料气 平衡温度线
催化剂
最佳温度线
T
产物
A、绝热过程的热量衡算
N i C Pi dT H R）rA dVR （ N A0 N A dN rA ，x A dVR N A0 rA dVR dN A N A0 dxA ( H R ) N A0 dxA dT N i C Pi （ H R）N T 0YA0 令 , 则dT dxA N i C Pi T T 0 ( x x0 ) 1 x (T T0 ) x0
5.1.2 催化反应器的数学模型
1) 分类 (1）按反应动力学分为：非均相模型、拟均相模型。 非均相模型:存在浓度差、温度差 拟均相：不存在浓度差、温度差 拟均相适用情况：a、化学动力学控制 b、活性较正系数（无宏观动力学资料） (2）按气体的流动方向和浓度、温度分布状况分为：一维模型、 二维模型。 一维：轴向浓度差、温度差； 二维：轴向浓度差、温度差；轴径向浓度差、温度差； (3）按流动方式分为：理想流动，非理想流动。 理想流动：平推流，全混流。 非理想流动：考虑返混（扩散）。
C、气体间的换热：床层热气与环隙冷气间换热。 D、温度分布
（3)双套管并流式
（4)单管并流式
（5)单管逆流式
（6)单管外冷式
3） 轴向反应器与径向反应器
VS
5.1.1.2 流化床反应器 流态化现象
固 定 床
L0
L
起 始 流 化
L
膨 胀 床
Lf
L
鼓 泡 床
Lf
节 涌 气 力 输 送
Lmf
特性 初始组成Yi0一定，压力P一定，平衡曲线就一定。 反之改变Yi0， P，平衡曲线就改变。 平衡曲线的作法：
[生成物浓度 ] f ( x) [反应物浓度 ] A lg K P B T x KP T KP
kp (
pso 3 pso 2 p
0.5 o2
), x
pso 3 pso 3 pso 2
1) 绝热式催化反应器
(1）定义：反应过程为绝热进行，反应热使气体和床层 温度升高，逐渐接近最佳温度曲线。
遇到的问题：为什么要采用绝热操作？反应器如实现 绝热操作？
x
分析 (2）可逆放热的气-固相催化 反应过程
平衡温度线
最佳温度线
T
A、平衡曲线：X-Te线 表示在一定的温度、压力和组成下，可以达到的平 定义 衡转化率X，即最大转化率。
根据相态(拟均相？非均相？），维数（一维？二 维？），返混（有返混？无返混？）的不同情况， 可以建立八种（ 23 8 ）不同的数学模型
返混
维数 相数
2）基础模型 一维+拟均相+平推流
表5－1 催化反应器数学模型分类
A类： 拟均相模型
一维模型
B类： 非均相模型 BI ：
BII ：
基础模型＋相间分布
非催化的气—固相反应：如水煤气的生产，氮与电石反应 生成石灰氮(CaCN2) 以及许多矿物的焙烧等，也都采用固定床 反应器。
固定床反应器优点： ① 固定床中催化剂不易磨损； ② 床层内流体的流动接近于平推 流，与返混式的反应器相比， 可用较少量的催化剂和较小的 反应器容积来获得较大的生产 能力。 ③ 由于停留时间可以严格控制， 温度分布可以适当调节，因此 特别有利于达到高的选择性和 转化率，在大规模生产中尤为 重要。 固定床反应器缺点： ① 固定床中的传热较差； ② 催化剂的更换必须停产进行；
第五章
固定床气-固相催化反应工程
5.1 固定床气－固相催化反应器的基本类型和数学 模型 5.2 固定床流体力学 5.3 绝热式固定床催化反应器 5.4 连续换热内冷自热式催化反应器 5.5 催化反应过程进展
气——反应物和产物为气相 固——固体催化剂 2SO2 + O2 =2SO3 炼油工业中的催化重整， 异构化，基本化学工业中的 氨合成、天然气转化，石油 化工中的乙烯氧化制环氧乙 烷、乙苯脱氢制苯乙烯等等。 气-固相催化反应是化学工业中应用最广、规模最大的 反应过程。据统计，按产品吨位计约90%的化工产品是通过 气固相反应过程生产的。
2) 连续换热式催化反应器
原料 催化剂
蒸汽 调节阀
补充水
产物
自热式反应器:反应前后的物料在床层中自己进行换 热称作自热式反应器。
T0
TC Tf
Tf
T0
逆流
并流
自热式反应器示意图
（1)概述 反应和换热同时进行，边反应，边换热，换热器设置在 床层内。 连续换热式操作状况：开始有一绝热段，为绝热操作， 升温至冷却段的进口，已接近最佳温度，冷却段连续换热， 接近最佳温度曲线操作。